Joint-Venture von Jianghai und Elna Polymer-Alu-Elkos mit 200 V Spannungsfestigkeit

Polymer-Alu-Elkos-Baureihen mit bislang unerreichter Spannungsfestigkeit von 200 V.
Polymer-Alu-Elkos-Baureihen mit bislang unerreichter Spannungsfestigkeit von 200 V.

Jianghai fertigt gemeinsam mit seinem Joint-Venture-Partner Elna Polymer-Alu-Elko-Baureihen in Serienstückzahlen mit einer bislang unerreichten Spannungsfestigkeit von 200 V. Diese Kondensatoren werden u.a. in Applikationen der Automobilelektronik und Industrieautomation Einzug halten.

Die Fortschritte der Halbleiterindustrie geben den Trend bei aktuellen und zukünftigen elektronischen Geräten vor: Er zeigt sich in geringerem Strombedarf, niedrigerer Betriebsspannung im Steuerungsteil, Miniaturisierung und höherer Taktfrequenz. Bezogen auf die Kondensatoren in der Stromversorgung führt dieser Trend allerdings zu höheren Strombelastungen bei gleichzeitig sinkendem Platzangebot [1, 2].

Unter diesen Bedingungen sind Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren vorteilhafte Lösungen, zum Beispiel in Stromversorgungen, im Energiemanagement, auf Motherboards und in anderen Applikationen mit hohem Strombedarf. Gemeinsames Kennzeichen dieser Anwendungen ist die Forderung nach extrem niedrigen ESR-Werten (Equivalent Series Resistance), welche die verwendeten Kondensatoren aufweisen dürfen.

In den vergangenen Jahren steigerte sich die Spannungsfestigkeit kommerziell erhältlicher Polymer-Alu-Elkos durch Verbesserungen der elektrisch leitfähigen Polymere und die Optimierung der Prozessschritte in der Herstellung. Jianghai ist es jetzt gemeinsam mit seinem Joint-Venture-Partner Elna durch intensive Forschung und Entwicklung gelungen, neue Polymer-Alu-Elko-Baureihen zu fertigen, die mit einer Spannungsfestigkeit von 200 V in Serienstückzahlen aufwarten können. Damit erschließen sich dieser zukunftsweisenden Kondensatortechnologie weitere Anwendungsfelder, beispielsweise Automobilelektronik, Industrieautomation, LED-Vorschaltgeräte, Telekommunikations-Infrastruktur und Weiße Ware.

Aufbau von Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Der Aufbau eines Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensators (Bild 1) gleicht weitgehend dem eines Aluminium-Elektrolytkondensators [1,2]. Der ­Haupt­unterschied zwischen den beiden Technologien ist der Elektrolyt. Während der klassische Aluminium-Elektrolytkondensator einen flüssigen Elektrolyten als Kathode zur Kontaktierung der aufgerauten Anodenoberfläche enthält, haben Polymer-Aluminium-Elektrolytkondensatoren einen festen Elektrolyten aus leitfähigem Kunststoff.

Dabei haben sich insbesondere die gewickelte (sowohl für bedrahtete als auch für oberflächenmontierbare Elkos) und die mehrlagige Bauform (für SMD-Elkos) im Markt etabliert.

Elektrisch leitfähige Kunststoffe

Kunststoffe bzw. Polymere sind leicht, langlebig und sie lassen sich gut verarbeiten. Sie kommen in vielen Anwendungen als Alternative zu klassischen Werkstoffen zum Einsatz. Doch die meisten Kunststoffe sind Isolatoren, so dass man sie nicht wie Metalle oder Halbleiter zur Stromleitung einsetzen kann [4].

Im Jahr 1977 jedoch gelang es einem Team um Hideki Shirakawa, durch die versehentliche Überdosierung eines Katalysators im Labor einen glänzenden Kunststofffilm zu erzeugen, der einen elektrischen Stromfluss erlaubte. Gemeinsam erforschten Alan G. Mac Diarmid, Alan J. Heeger und Hideki Shirakawa die Grundlagen dieses Phänomens und erhielten dafür den Chemie-Nobelpreis des Jahres 2000 [9].

Während Metalle und Halbleiter relativ eng benachbarte sogenannte Energiebänder (Bild 2) haben, liegen diese bei regulären Kunststoffen in der Regel so weit auseinander, dass ein Stromfluss unter normalen Bedingungen nicht möglich ist [4]. Eine Ausnahme bildet die Gruppe der „konjugierten Polymere“, bei denen es sich zum Beispiel um Kunststoffe mit ausgedehnten π-Elektronensystemen mit sich abwechselnden Einfach- und Doppelbindungen handelt. Die p-Elektronen sind dabei nicht einem einzelnen Molekül fest zugeordnet, sondern zeichnen sich durch eine hohe Beweglichkeit entlang der Molekülkette aus. Durch die Konjugation vieler p-Elektronen bildet sich in der Kunststoffkette aus dem höchsten besetzten Molekülorbital ein breites Band von besetzten Zuständen (Valenzband) und aus dem niedrigsten unbesetzten Molekülorbital ein Band von unbesetzten Zuständen (Leitungsband) aus.

Die elektrische Leitfähigkeit der konjugierten Polymere wird als Eigenleitfähigkeit oder intrinsische Leitfähigkeit bezeichnet, und sie ist zunächst recht niedrig (Bild 3). Durch die Erzeugung positiver Teilchen, beispielsweise durch (elektro-)chemische Oxidation, kann die Leitfähigkeit jedoch wesentlich erhöht werden. Dieser Vorgang wird auch als Dotierung bezeichnet, wobei diese nicht mit der Dotierung (weniger) Fremdatome beim Halbleiterprozess vergleichbar ist. Zunächst existiert die elektrische Leitfähigkeit nur innerhalb der Polymerkette. Damit das Material insgesamt elektrischen Strom leiten kann, müssen die Enden der Polymerketten dicht genug beieinander liegen, um den Elektronen den Sprung von einer Polymerkette zur nächsten zu erlauben [9]. Eine große Herausforderung bei der Entwicklung von intrinsisch leitfähigen Polymeren für die Anwendung in elektronischen Bauelementen ergibt sich durch die Empfindlichkeit vieler Polymere gegenüber erhöhten Temperaturen, Luftsauerstoff und Feuchtigkeit [5].

Die Tabelle zeigt die typischen elektrischen Leitfähigkeitswerte verschiedener Kathodenmaterialien für Aluminium-Elektrolytkondensatoren im Vergleich.

Elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten in S/cm

Kathoden-material Leitungs-mechanismus Temperatur-beständigkeit 

hoch 100

 PEDOT ElektronenleitungPyrolyse ab ca. 350 °C 
10PolypyrrolElektronenleitung

Pyrolyse ab ca. 300 °C

1TCNQElektronenleitung

Pyrolyse ab ca. 200~240 °C

0,1MnO2ElektronenleitungPhasenübergang bei ca. 500 °C
niedrig 0,01Elektrolyt-lösungIonenleitungSiedepunkt bei ca. 160~190 °C
Elektrische Leitfähigkeit verschiedener Kathodenmaterialien (nach [11]; Quelle: Nichicon Corp.)